Y形肋片火积耗散率最小构形优化

结合（火积）耗散极值原理和构形理论,以基于（火积）耗散率的当量热阻最小化为目标,采用解析解法对Y形肋片进行了构形优化,分析了复合参数a（关于对流换热系数、肋片的包络面积及其热导率的简单函数）和肋片占比φ₁对Y形肋片优化的影响,并比较Y形和T形肋片的整体传热性能的优劣。结果表明,增大a和增大φ₁可降低肋片的无量纲当量热阻,改善其整体传热性能。总体积和肋片材料的体积都相同时,Y形肋片无量纲当量热阻要比T形肋片的无量纲当量热阻小很多。也就是说,Y形肋片优于T形肋片,更能提高系统的整体传热性能。     

基于(火积)耗散率最小的复杂肋片对流换热构形优化

基于构形理论, 以基于(火积)耗散率定义的当量热阻最小为优化目标对复杂肋片进行构形优化, 得到同时考虑肋片导热和对流换热(火积)耗散性能的肋片最优构形, 并比较不同形状和不同优化目标下的肋片最优构形. 结果表明: 存在最佳单元级直肋、中部空腔以及肋片末梢高度和长度比使得复杂肋片当量热阻取得三重最小值. 当量热阻最小的复杂肋片最优构形与T-Y形肋片最优构形相比, 复杂肋片结构使得肋片整体传热性能大大提高. 当肋片传热为二维传热且根部较宽时, 肋片根部温度越不均匀, 当量热阻最小和最大热阻最小的复杂肋片最优构形差别越大. 在保证热安全性的前提下, 工程上对肋片进行优化设计时可选择当量热阻最小的肋片构形设计方案以降低其平均传热温差、提高整体传热性能. 本文从传热优化角度为复杂肋片的优化设计提供了参考.     

基于(火积)耗散率最小的“盘点”冷却流道构形优化

基于构形理论, 以(火积)耗散率最小为优化目标, 对冷却流道的“盘点”传热问题进行构形优化, 得到冷却流道的圆盘构造体最优构形. 结果表明: 对于扇形单元体, 在其泵功率给定的条件下, 存在最佳展弦比使得扇形单元体无量纲当量热阻取得最小值; 对于一级树状圆盘, 在其总泵功率给定的条件下, 存在一级与单元级最佳流道宽度比和扇形单元体最佳无量纲半径使 得一级树状圆盘无量纲当量热阻取得最小值, 且一级与单元级最佳流道宽度比仅与单元体分支数有关. 当中心圆盘半径等于0时, 一级树状圆盘最终退化成辐射状圆盘, 此时一级树状圆盘半径为临界半径. 当一级树状圆盘半径大于临界半径时, 需对圆盘冷却流道采用树状布置, 反之则采用辐射状布置. 存在最佳单元体分支数使得无量纲当量热阻取得最小值, 这与高导热材料通道的“盘点”导热构形优化结果有明显区别. (火积)耗散率最小和最大温差最小的一级树状冷却流 道圆盘构造体最优构形是不同的. 与最大温差最小的冷却流道圆盘构造体相比, (火积)耗散率最小的冷却流道圆盘构造体当量热阻得到极大降低, 其整体传热性能得到明显提高. 因此, (火积)耗散极值原理与对流构形优化相结合, 有助于进一步揭示(火积)耗散极值原理在传热优化方面的优越性. 关键词： 构形理论 (火积)耗散率 冷却流道 广义热力学优化     

微、纳米尺度下圆盘(火积)耗散率最小构形优化

基于构形理论, 以(火积)耗散率最小为优化目标, 在微、纳米尺度下对圆盘导热问题进行构形优化, 得到尺寸效应影响下的无量纲当量热阻最小的圆盘构造体最优构形. 结果表明: 在微、纳米尺度下, 尺寸效应影响下的圆盘构造体最优构形与无尺寸效应影响时的圆盘构造体最优构形有明显区别. 存在最佳无量纲高导热材料通道长度使无量纲当量热阻取得最小值; 随着扇形单元体数目的增大, 最小无量纲当量热阻先减小后增大, 存在最佳的扇形单元体数目使得无量纲当量热阻取得双重最小值, 这与常规尺度下圆盘构造体相应的性能特性明显不同. (火积)耗散率最小的圆盘构造体(火积)耗散率比最大温差最小的构造体(火积)耗散率降低了7.31%, 也即圆盘构造体的平均传热温差降低了7.31%. 微、纳米尺度下基于(火积)耗散率最小的圆盘构造体最优构形能够降低圆盘构造体的平均传热温差, 同时有助于提高其整体传热性能. 本文工作有助于进一步拓展(火积)耗散极值原理的应用范围. 关键词： 构形理论 (火积)耗散率最小 微、纳米尺度 广义热力学优化     

矩形肋片热沉(火积)耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对矩形肋片热沉, 分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标, 采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化, 比较了两种目标下的热沉最优构形, 并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率的函数)和材料占比对两种目标(最大热阻、当量热阻)及其对应最优构形的影响. 结果表明: 热沉外形固定时, 两种目标下均不存在最优的肋片厚度; 热沉外形自由变化时, 两种目标下的最优构形存在一定的差异. 此外, 全局参数对两种目标下的最优构形均没有影响, 而材料占比对两种目标下的最优构形均有较大影响. 提高全局参数和材料占比均可以减小最大热阻最小值和当量热阻最小值, 但对两种目标的减小程度不同. 总体上, 调节热沉结构参数使当量热阻最小, 可以同时获得很好的局部极限性能; 而调节热沉结构参数使最大热阻最小, 获得的整体平均散热性能却较差. 因此, 对本文热沉模型进行优化时, 以当量热阻最小化为优化目标更合理.     

离散发热器件基于(火积)耗散率最小和最高温度最小的构形优化比较

建立了导热基座上圆柱体离散发热器件的三维湍流散热模型,基于构形理论,考虑空气变物性及可压缩性和黏性耗散,研究了器件材料的热导率、热源强度和流体流速对器件最高温度、基于(火积)耗散定义的当量热阻和平均Nu数的影响.结果表明:在总发热功率一定的条件下,以器件最高温度和当量热阻为性能指标进行热设计,均存在最优热源强度分布使得散热性能最优.当各热源强度相同且热源热导率小于基座热导率时,提高热源热导率可明显改善散热性能;将热源热导率沿流动方向从低到高布置可降低器件最高温度,而将热源热导率均匀布置可使当量热阻最小.所得结果可为实际热设计中不同材质和不同发热率的电子器件最优布置提供理论支撑.     

基于(火积)理论的轧钢加热炉壁变截面绝热层构形优化

基于绝热过程(火积)耗散极值原理, 分别在对流传热和复合传热(对流和辐射传热)边界条件下, 对轧钢加热炉壁变截面绝热层进行构形优化, 得到(火积)耗散率最小的绝热层最优构形. 结果表明: 与等截面绝热层相比, (火积)耗散率最小的变截面绝热层整体绝热性能更优. 热损失率最小和(火积)耗散率最小的绝热层最优构形是不同的. 热损失率最小的绝热层最优构形使得其能量损失减小, 而(火积)耗散率最小的绝热层最优构形使得其整体绝热性能提高. (火积)耗散率最小和最大温度梯度最小的变截面绝热层最优构形差别较小, 此时(火积)耗散率最小的绝热层最优构形在提高绝热层整体绝热性能的同时也提高了其热安全性. 基于(火积)理论的绝热层构形优化为绝热系统的优化设计提供了新的指导.     

基于(火积)理论的“+”形高导热构形通道实验研究

基于构形理论和■理论,对"+"形高导热通道的方形构造体开展导热实验研究,并对不同优化目标和不同高导热通道布置形式下的构造体导热性能进行比较.结果表明:对于"+"形高导热通道的方形构造体,实验和数值计算所得到的构造体最高温度点均位于"+"形高导热通道两分支之间,实验和数值计算所得到的构造体平均温差和■耗散率的误差均在可接受范围内,这从定性和定量的角度证明了导热构形优化结果的正确性.与"H"形高导热通道的方形构造体相比,构造体内高导热通道采用一级"+"形布置使得其导热■耗散率得到降低.■耗散率最小的一级"+"形高导热通道构造体最优构形与最大温差最小的构造体最优构形相比,前者的导热■耗散率降低了5.98%,但最大温差提高了3.57%.最大温差最小目标有助于提高构造体的热安全性,■耗散率最小目标有助于提高构造体的整体导热性能.在保证热安全性能的前提下,实际微电子器件设计中可采用■耗散率最小的构造体最优构形以提高其整体导热性能.     

对流换热中的准(火积)耗散函数

通过分析对流换热过程中微元控制体内的(火积)流动平衡,得到类似于热传导过程中(火积)耗散函数表达形式的对流换热准(火积)耗散函数,表明对流换热过程中的(火积)耗散由热传导和对流形成的耗散共同构成。并通过分析对流换热过程的特点,对准(火积)耗散函数中对流项的影响进行了修正,使用圆管内热充分发展流动与无限宽平行通道内的对流换热过程检验,控制体内准(火积)耗散函数的计算结果与边界(火积)流的结果一致,表明文中提出的准(火积)耗散函数是可靠的。     

基于(火积)耗散数最小的板翅式换热器优化设计

本文以传热和阻力引起的总(火积)耗散数最小为目标,在给定热负荷的情况下对工作流体为理想气体的板翅式换热器进行优化.结果表明,优化后传热(火积)耗散数和阻力(火积)耗散数都得到了大幅减小,而后者减小的幅度更大.随着总煨耗散数的减小,换热器有效度有所增加,而消耗的风机功率大幅减小,从而提高了换热器整体性能.     

孤立系内热传导过程(火积)耗散的解析解

(火积)耗散与熵增均可以作为传热不可逆性的度量, 当前(火积)理论的反对者认为(火积)是不必要的. 为说明(火积)的必要性, 从有效性的角度进行了论证, 即在描述传热过程不可逆性的变化上, (火积)的严格解析解存在, 而熵的严格解析解难以得到. 本文构建了孤立系内的一维及多维热传导模型, 求解了温度及其梯度的级数型解析解, 将其代入(火积)耗散的求解式, 得到其最初的形式为一多重级数的多重积分, 交换积分与级数计算顺序, 并利用特征函数的正交性, 将(火积)耗散求解式中的积分运算求出, 并使级数的维数降低, 最终将其表示为一稳态项与一瞬态项加和的形式, 其极限与文献中的结果一致. 通过对孤立系内(火积)耗散解析解的求解可以得出: 由于热传导过程熵与(火积)的解析解求解难度不同, 在描述传热过程不可逆性变化上, (火积)更加有效; 对于孤立系内不同维数的热传导问题, 只要温度场解析解存在, (火积)耗散解析解均可以应用特征函数正交性求解得到.     

基于(火积)耗散的体点散热问题拓扑优化方法

本文建立了基于(火积)耗散的体点散热问题的拓扑优化方法.通过利用变分原理,拉格朗日乘子法和Frécheh微分法,给出了上述问题的最优性条件,并利用水平集方法给出了计算最优布置的方法.最后与构型理论比较发现,在同等条件下,本文算法的结果能更大地降低体内的平均温度和最高温度.     

热漏对换热器(火积)耗散最小化的影响

建立了存在热漏的换热器的传热过程模型.假定热流体与冷流体间的传热以及冷流体与外界环境间的热漏均服从牛顿传热定律,在冷流体净传热量一定的条件下,应用最优控制理论导出了换热过程(火积)耗散最小时热流体温度和冷流体温度的最优构型,并将最优路径分别与热流体温度一定和热流率一定的传统传热策略进行了比较.研究结果对于实际换热器的优化设计和最优运行具有一定的理论指导意义.     

换热器组性能与(火积)耗散及其热阻的关系研究

本文以并联换热器组为对象,在给定每个换热器热容量流的前提下,通过分配各换热器的热导分析了换热器组的总换热量与总(火积)耗散、总(火积)耗散热阻、各换热器(火积)耗散之和、各换热器(火积)耗散热阻之和、及各换热器(火积)耗散热阻加权之和之间的关系。结果表明:在给定每个换热器热容量流,分配热导的前提下,换热器组总换热量的极值与各换热器(火积)耗散之和的极值、各换热器(火积)耗散热阻之和的极值、及以热容量流率与换热量率的乘积作因子的各(火积)耗散热阻加权之和的极值是一致的,而与换热器组总(火积)耗散的极值及总(火积)耗散热阻的极值不一致。     

基于(火积)耗散极值原理的管外流场优化

本文基于(火积)耗散极值原理得到了对流传热的优化场协同方程,用Fluent数值模拟求解层流状态下的管外流动换热的优化流场。得到了管外流动的优化速度场为多纵向涡结构形态,对优化流场进行分析,发现优化流场的综合换热效果远远高于原型流场。通过在管外添加扰流片的方法,来产生带有纵向涡的流场,达到优化管外流动传热的目的。数值模拟结果表明,添加扰流片在一定程度上可以强化管外对流换热。     

(火积)耗散原理在相变储热过程优化中的应用

为了强化相变储热单元的储热性能,基于(火积)耗散原理,数值分析了相变材料的熔点对储热单元的储热速率、(火积)耗散率及储热品质的影响。结果表明:对于单级相变储热单元,相变材料熔点越低,相变储热过程的传热速率就越高,而对应的(火积)耗散率就越大,储存热量的品质也越低。证明了(火积)耗散原理用于相变储热过程优化的可行性。对于两级相变储热单元的分析结果表明,合理的匹配两级相变材料的熔点,可以实现储热速率高于单一相变材料,且传热过程的不可逆性((火积)耗散率)低于单一相变材料。可见,多级相变材料的合理匹配,可以同时提高储热速率、降低储热过程的不可逆性。     

多股流换热器的(火积)耗散热阻分析

在分析多股流换热器特点的基础上,考虑流体在通道出口非等温混合产生的(米积)耗散,将板翅式多股流换热器的(火积)耗散分为通道换热(火积)耗散和混合(米积)耗散两部分,定义了多股流换热器的(米积)耗散热阻。通过对不同通道排列下的多股流板翅式换热器的计算,发现多股流换热器换热量与其(米积)耗散热阻一一对应,(米积)耗散热阻越小,换热量越大。在对多股流板翅式换热器的通道进行排列时,应采用冷热通道间隔布置的形式,并使冷热通道的换热负荷相近。     

对流换热过程的热力学优化与传热优化

为了进一步明确对流换热过程中热力学优化与传热优化之间的差异,本文分别利用熵产最小原理、(火积)耗散极值原理针对两种边界条件下的对流换热问题进行分析,讨论熵产,(火积)耗散与有用能损失以及对流换热能力之间的关系.结果表明:熵产最小意味着系统的有用能损失最小,但并不反映系统的对流换热能力的强弱;而(火积)耗散取极值意味着系统的对流换热能力最强,但与系统的有用能损失不存在对应关系.因此,对于将降低有用能损失作为优化目标的换热问题应采用熵产最小原理进行分析;而对于需要将提高换热能力作为优化目标的对流换热问题应采用(火积)耗散极值原理进行分析.